Đề tài ứng dụng của những enzmye phổ biến

Vì vậy, chúng tôi tìm hiểu về ENZMYE CÔNG NGHIỆP VÀ ỨNG DỤNG, để làm rõ hơn về cấu trúc, vai trò cũng như ứng dụng cụ thể của những enzyme được sử dụng phổ biến trong công nghiệp hiện na

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

Trong mấy chục năm cuối của thế kỷ XX và đầu thế kỷ XXI, người ta đã chú ýnghiên cứu việc ứng dụng enzyme Người ta đã tận dụng các nguyên liệu giàuenzyme để tách enzyme, dùng chế phẩm enzyme này để chế biến các nguyên liệukhác nhau hoặc sử dụng vào mục đích khác nhau Ở nhiều nước đã hình thànhngành công nghệ enzyme, hàng năm đã sản xuất hàng trăm tấn chế phẩm enzyme

để phục vụ cho các ngành sản xuất khác nhau và cho y học Công nghệ enzymecàng ngày càng phát triển mang lại nhiều ứng dụng mới và mang lại lợi nhuậnkinh tế cao, đạt hơn 40 triệu USD/năm (2008)

Vì vậy, chúng tôi tìm hiểu về ENZMYE CÔNG NGHIỆP VÀ ỨNG DỤNG, để

làm rõ hơn về cấu trúc, vai trò cũng như ứng dụng cụ thể của những enzyme được

sử dụng phổ biến trong công nghiệp hiện nay Giúp cho các bạn có cái nhìn tổngquan hơn về enzyme, biết rõ những ứng dụng, những kết quả đã đạt được của côngnghệ enzyme Đồng thời cũng các bạn giúp định hướng rõ các hướng nghiên cứu

về enzyme

Trong quá trình tìm hiểu và trình bày cũng không thể tránh hỏi những thiếu sót,mong nhận được sự đóng góp của cô và các bạn!

Chân thành cảm ơn!

ENZYME CÔNG NGHIỆP VÀ ỨNG DỤNG

I. Khái quát về enzyme

Từ thời cổ xưa người ta đã dùng nước ép trái nho để lên men rượu cũng nhưchứa sữa tươi trong dạ dày của súc vật mới bị giết để chuyển hóa thành phomat Tuynhiên đó chỉ là những phát hiện tình cờ, chẳng ai biết rằng có sự giúp đỡ âm thầm củamột loại enzyme tiết ra bởi vi khuẩn hiếu khí từ không khí rơi vào hũ nho để mở cũngnhư một loại enzyme khác đó là renin trong dạ dày của súc vật Năm 1897, E.Bucherthu dịch nấm men nghiền nát và thấy hoạt tính lên men rượu của nó Ông gọi chúng là

enyme.

Enzyme có thể thu nhận từ các cơ thể sống khác nhau như động vật, thực vật,

vi sinh vật ( pepsin trong dạ dày, trypsin trong tụy tạng, renin trong ngăn tứ 4 của dạdày bê, bromelin trong thơm, papin trong đu đủ, amilaza trong thóc ẩm) Nguồnenzyme quan trọng hiện nay lấy từ vi sinh vật

Enzyme là chất xúc tác sinh học được hình thành trong tế bào dưới dạng hợpchất protein có cấu trúc hóa học rất đặc thù Trong tế bào sinh vật luôn xảy ra quá trìnhtrao đổi chất, enzyme đã góp phần thúc đẩy các phản ứng hóa học này ở điều kiệnđẳng nhiệt, đẳng áp với tốc độ nhanh, hiệu qur cao, nhiều phản ứng xảy ra đồng thời, íttiêu tốn năng lượng…

Enzyme trong cơ thể sinh vật với chức năng là xúc tác chọn lọc, đóng vai tròđịnh hướng tất cả mọi phản ứng xảy ra trong tế bào Khi ở ngoài tế bào nhiều enzymevẫn có khả năng hoạt động tương tự Chính vì lý do đó khi tách được các enzyme khỏi

cơ thể sống ở mức độ thuần khiết khác nhau người ta có thể sử dụng trong nhiều lĩnhvực

Về tính chất, enzym có bản chất là protein nên có tất cả thuộc tính lý hóa của

protein Đa số enzym có dạng hình cầu và không đi qua màng bán thấm do có kíchthước lớn; Tan trong nước và các dung môi hữu cơ phân cực khác, không tantrong ete và các dung môi không phân cực; Không bền dưới tác dụng của nhiệt độ,nhiệt độ cao thì enzym bị biến tính; Môt trường axít hay bazơ cũng làm enzym mấtkhả năng hoạt động; Có tính lưỡng tính: tùy pH của môi trường mà tồn tại ở cácdạng: cation, anion hay trung hòa điện

3

Enzyme có tính đặc hiệu:

− Đặc hiệu phản ứng: chỉ biểu hiện với một loại liên kết hóa học nhấtđịnh, như lipase chỉ cắt liên kết ester nối glycerol và acid béo của nhiềuloại lipid khác nhau…

− Đặc hiệu cơ chất: thể hiện chuyên biệt cho những cơ chất nhất định,như urease chỉ thủy phân urea thành ammonia và CO2 nhưng không tácdụng với các chất khác…

Trung tâm hoạt động của enzyme: Trong quá trình xúc tác của enzym chỉ có

một phần tham gia trực tiếp vào phản ứng để kết hợp với cơ chất gọi là "trung tâm hoạtđộng"

− Cấu tạo đặc biệt của trung tâm hoạt động quyết định tính đặc hiệu vàhoạt tính xúc tác của enzyme

− Nhóm chức tham gia tạo trung tâm hoạt động cần phân biệt hai nhóm:

"tâm xúc tác" (tham gia trực tiếp vào hoạt động xúc tác của enzym) và

"nền tiếp xúc" (giúp enzym kết hợp đặc hiệu với cơ chất)

− Một enzym có thể có 2 hoặc nhiều trung tâm hoạt động, tác dụng củacác trung tâm hoạt động không phụ thuộc vào nhau

− Các cơ chất kết hợp với trung tâm hoạt động tạo phức hợp enzyme -cơchất (ES) : E + S → ES→ ES++ → E + P S:cơ chất; P:sản phẩm

E và S phải bổ sung về mặt không gian và hợp nhau về mặt hóa học, có khảnăng hình thành nhiều liên kết yếu với nhau Chúng liên kết sao cho có thể tạo ra vàcắt đứt sự dính nhau được gây nên do biến động nhiệt ngẫu nhiên ở nhiệt độ thường

Enzyme có nhiều cách gọi tên Ngày nay đã biết được khoảng 3000 enzyme vàphân thành 6 nhóm dựa vào loại phản ứng mà chúng xúc tác:

− Oxydo-reductase: xúc tác cho phản ứng oxy hóa- khử, có các enzyme

như: dehydrogenase, oxydase, cytochromreductase, peroxydase…

− Transferase: xúc tác cho phản ứng chuyển vị, có các enzyme như:

transaminase, methyltransferase, các kinase

− Hydrolase: Các enzyme xúc tác cho phản ứng thủy phân, có các enzyme

phân giải este, lipid, glucozid, amid, peptid, protein

− Lyase: Các enzyme xúc tác cho phản ứng phân cắt không cần nước, loại

nước tạo thành nối đôi hoặc kết hợp phân tử nước vào nối đôi Có các

− Isomerase: Các enzyme xúc tác cho phản ứng đồng phân hóa

− Ligase: Các enzyme xúc tác cho phản ứng tổng hợp có sử dụng liên kết

giàu năng lượng ATP v.v

Nhờ sử dụng enzyme trong sản xuất đã mang lại hiệu quả cao, tiết kiệm thờigian và chi phí, tạo ra được nhiều sản phẩm mới chất lượng cao và thân thiện vớimôi trường Vì vậy, thị trường sản xuất enzyme đang phát triển mạnh trên toàn thếgiới

Sản lượng và giá bán tương đối cảu các enzyme chủ yếu

Loại enzyme Sản lượng (tấn/ năm) Giá bán ( kg)

- Amilase và Glucoamylase 50000 2-3 USD/kg

II. Các loại enzyme công nghiệp và ứng dụng

Được phân loại cụ thể như sau:

 Sự tiêu hóa tinh bột:

α amylase

Thủy phân α-1,4 của amylose

α -1,6 glucosidase

Thủy phân α-1,6 của amylospectin

- Enzyme amylase phân giải carbonhydrat có trong thực phẩm nhằm cung cấp nănglượng cho hoạt động sống của cơ thể.

- Sản phẩm chữa men tiêu hóa dành cho trẻ sơ sinh và trẻ em, kích thích tiêu hóa,chống suy dinh dưỡng và các sản phẩm cùng loại: minigadine, trymo,calcinol_RB, calciol 100

Hình 1: Các sản phẩm sử dụng enzyme amylase.

 Ứng dụng trong y dược

- Nguồn thu nhận: vi khuẩn Bacillus subtilis

- Ưu điểm là bền hơn trong môi trường acid của dạ dày so với diastase (amylase)

lấy từ động vật và vi nấm Amylase được sử dụng:

+ Phối hợp với coenzyme A, cytocrom C, ATP, carboxylase để chế thuốcđiều trị bệnh tim mạch, bệnh thần kinh

+ Phối hợp với enzyme thủy phân để chữa bệnh thiếu enzyme tiêu hóa.Trong cơ thể enzyme amylase là hormon tuyến tụy ngoại tiết có tác dụng chốngphù nề sau chấn thương hoặc sau mổ Điều trị triệu chứng phản ứng viêm kèm nhiễmkhuẩn đường hô hấp trên hoặc dưới Các sản phẩm chứa emzyme α-amylase có tácdụng kiểm soát lượng calo của cơ thể

- Sử dụng enzyme amylase trong chuẩn đoán bệnh viêm tủy cấp ở trẻ em:

7

Dựa vào các biểu hiện của enzyme amylase người ta tiến hành nghiên cứuchuẩn đoán bệnh viêm tuyến tụy khi nghiên cứu nhận thấy: khi lựa chọn điểm cắtthích hợp và phối hợp cả hai enzyme s-amylase + lipre hoặc p-amylase + lipre trongchuẩn đoán viêm tụy cấp ở trẻ em thì độ chính xác là cao nhất

- Thuốc, hóa chất chứa hoạt tính enzyme amylase phục vụ nuôi trồng thủy sản:Enzyme amylase thường được bổ sung trong thành phần các hợp chất hóa họcnhằm cải tạo ao hồ, kích thích tăng trưởng và phát triển mạnh của động vật thủysản ở các giai đoạn mong muốn

+ Cá ăn thực vật:enzyme amylase phân giải tinh bột có trong thức ăn của cá:

cỏ, khoai lang, khoai mì…

+ Cá ăn thịt động vật: enzyme amylase phân giải glycogen hay glucid ở tế bàođộng vật

Hình 2: Thuốc, hóa chất chứa hoạt tính enzyme amylase phục vụ nuôi trồng thủy sản.

- Aminopeptidase: xúc tác sự thủy phân liên kết peptit ở đầu nitơ của mạchpolypeptit.

- Cacboxypeptidase: xúc tác sự thủy phân liên kết peptit ở đầu cacbon củamạch polypeptit Cả hai phân nhóm enzyme trên đều là các exo – peptidase

- Dipeptidhydrolase: Xúc tác sự thủy phân các liên kết dipepit

- Proteinase: Xúc tác sự thủy phân các liên kết peptid nội mạch

Protease trong vi sinh vật là nguồn thu nhận chính hiện nay Protease trong sinh vật đượcchia làm 4 nhóm chính và chúng có những đặc điểm thể hiện ở bảng sau:

Bảng 1 Một số tính chất của Protease (P) vi sinh vật

9

TTHĐ

pH tối thích P-

Trungtính

Thu nhận sinh khối (enzyme thô)

Chế phẩm enzyme thô đem tinh chế

Nghiền mịn

Trích ly

Chế phẩm ezyme thô đem sử dụng

Khoáng hỗn hợpNguyên liệu dinh dưỡng (bột bắp, cao nấm men, pepton)

Hấp thanh trùngLàm nguội đến 300CNước

Đỗ lên khayGiống Asp.oryzae

Nuôi cấy ở nhiệt độ phòng0,5-2%

Dùng trong chăn nuôiLọc

Da thuộc là một dạng vật liệu bền và dẻo được chế biến thông qua quá trìnhthuộc da của da động vật, như da bò, trâu, dê, cừu non, nai, cá sấu, đà điểu, v.v ,nhưng thông dụng nhất là da bò Da thuộc có thể được sản xuất bằng nhiều phươngpháp khác nhau, ở quy mô lớn hay nhỏ, từ thô sơ cho tới cầu kỳ

Trong công nghiệp da, enzyme protease được dùng để làm mềm da, làm sạch

da, rút ngắn thời gian, tránh ô nhiễm môi trường Việc xử lý đã được tiến hành bằngcách ngâm da trong dung dịch enzyme, hay phết dịch enzyme lên bề mặt da Enzyme

sẽ tách các chất nhờn và làm đứt một số liên kết trong phân tử collagen của da và loại

bỏ các protein phi fibrin như albumin, globulin trong quá trình thuộc da rất có hiệuquả, làm cho da mềm mịn và bóng hơn.Thực tế cho thấy khi xử lý da bằng chế phẩmprotease từ vi sinh vật có thể rút ngắn thời gian làm mềm và tách lông xuống nhiềulần Điều quan trọng là chất lượng lông tốt hơn khi cắt So với phương pháp hóa họcthì việc xử lý bằng enzyme có số lượng lông tăng 20-30% Lông không cần xử lý thêmsau khi ngâm trong dịch enzyme vì khi ngâm trong dung dịch enzyme, lông cũng đượctách hết chất béo do có lipaza trong chế phẩm

Quy trình thu nhận enzyme protease

11

Quy trình sản xuất thuộc da

Thông thường các phương pháp thuộc da thường dùng các hóa chất độc hại nhưnatri sulfide, làm ảnh hưởng rất nghiêm trọng đến môi trường khi nước thải của nhàmáy này thải ra sông Việc sử dụng enzyme để thay thế các hóa chất đã rất thành côngtrong việc nâng cao chất lượng da và làm giảm ô nhiễm môi trường

Trước đây để làm mềm da người ta thường sử dụng protease được phân lập từ

cơ quan tiêu hoá của động vật Hiện nay, việc đưa các protease tách từ vikhuẩn( B.mesentericus, Bb.subtilis), nấm mốc (A.oryzae, A.flavus) và các xạ khuẩn(S.fradiae, S.griseus, S.rimosus ) vào công nghiệp thuộc da đã đem lại nhiều kết quả

và dần dần chiếm một vị trí quan trọng Điểm thuận tiện là các chế phẩm proteasedùng cho công nghiệp thuộc da chỉ cần hoà tan tốt và không chứa tạp chất không tan làđược, mà không đòi hỏi tinh chế cẩn thận.Chế phẩm enzyme có thể dưới dạng nướcchiết từ canh trường bề mặt nấm mốc

Quy trình sản xuát được chia thành 3 công đoạn chính:

• Chuẩn bị thuộc

• Thuộc

• Hoàn tất.

* Chuẩn bị thuộc.

Tất cả nguyên liệu trước khi và thuộc phải lựa chọn theo loại, trọng lượng,phương pháp bảo quản để có chế độ xử lí thích hợp.Các khâu công nghệ trong quátrình chuẩn bị thuộc có thể khác nhau, tuỳ theo loại nguyên liệu, phương pháp bảoquản và mục đích sử dụng da thành phẩm

Trước tiên, da được lóc cẩn thận khỏi các thớ thịt và mỡ, rồi được phân loạicẩn thận theo chủng loại da và chất lượng Công đoạn này có nhiệm vụ loại bỏ nhữngphần không cần thiết như biểt bì, mô liên kết dưới da …, tạo cho sự liên kết của chấtthuộc với sợi collagen trong giai đoạn thuộc Enzyme được bổ sung vào giai đoạn này

Những công đoạn như: hồi tươi, tẩy lông, ngâm vôi, tẩy vôi, làm mềm axit hoáđược áp dụng cho tất cả phương pháp thuộc Riêng thuộc da để có da sử dụng trongcông nghiệp, công đoạn làm mềm, axit hoá không thực hiện hoặc thực hiện ở mức độthấp

* Tẩy lông, ngâm vôi thuộc và hoàn tất

Giúp tẩy sạch lớp lông, thượng bì và loại bỏ lớp mỡ dưới da Đây là công đoạnphức tạp, hoá chất tẩy lông ngâm vôi có tác dụng phá huỷ lớp chân lông và lớp biểu bìtrên mặt da đồng thời làm trương nở da, nên cần phải có sự kiểm tra chặt chẽ việc sửdụng hoá chất, nước, nhiệt độ, thời gian Trong quá trình tẩy lông ngâm vôi, sự tácđộng của kiềm làm sạch lông và chân lông là sunfuanatri đóng vai trò quan trọng, pHtẩy chân lông là 12-13 Trong các loại kiềm, sử dụng vôi là tốt nhất, vôi có độ hoà tangiới hạn là 0,15%, pH=12,6 Nếu sử dụng NaOH thì sẽ phá huỷ sợi collagen trong da

vì pH của nó quá cao Nếu ngâm vôi quá mức, sợi collagen sữ bị phá huỷ, da bị hưhỏng Ngược lại ngâm vôi chưa đạt, da thành phẩm sẽ bị cứng do không trương nở hết

Sử dụng protease giúp cho lông tẩy trong thời gian ngắn hơn và sạch hơn cùngvới vôi nước được sử dụng để tẩy lông đồng thời loại bỏ 1 số chất đạm, sợi trong da vàthay đổi ít nhiều cấu trúc của da để da sẽ thẩm thấu tốt hơn những hóa chất sẽ được sửdụng trong công đoạn kế tiếp

Tiếp theo, da được phơi ráo nước, bôi dầu, phơi khô, nhào cho mềm và đều dầu,cán phẳng, và nhuộm màu theo nhu cầu

13

nhận từ các loài Aspergillus và Penicillinum.

Tồn tại 3 nhóm pectinase phân giải pectin:

- Pectin methyl esterase

- Depolymease

- Exoenzyme pectinase

Pectin methyl esterase (EC.3.1.1.11) hay còn gọi là pectiestenase (PE): enzymenày tham gia phân giải pectin thành acid pectic và methanol Hiệu suất thủy phânpectin của enzyme này rất cao, có thể đạt 98% Pectinesterase của nấm sợi hoạt độngmạnh ở pH 3-5 Cả 2 loại pectinase này đều biến tính ở 800C

Enzyme pectinase được ứng dụng chủ yếu để phá vỡ thành tế bào của quả, giảiphóng các chất có trong tế bào của quả ra ngoài và đồng thời làm làm trong và ổn địnhchất lượng nước quả

Việc thu nhận nước quả từ trước đến nay chủ yếu bằng phương pháp ép Nếupectin còn nhiều trong sẽ theo nước quả và gây ra hiện tượng nước quả bị đục, có độkeo cao và rất khó lọc trong Trong tế bào của quả nước chiếm khoảng 90 – 95% Nếuchỉ nghiền sau đó ép thì ta chỉ có thể thu nhận được khoảng 60 – 70%, khi cho enzymepectinase vào thì hiệu suất ép có thể tăng thêm 15-30%

Pectinase được dùng trong một số ngành công nghiệp thực phẩm:

- Sản xuất rượu vang

- Sản xuất nước quả và nước uống không cồn

- Sản xuất các mặt hàng từ quả: quả cô đăc, mứt

- Sản xuất nước giải khát: nước quả thanh trùng uống trực tiếp từ táo và quả vải,dâu tây, anh đào, sản xuất nước quả nho, sản xuất nước mận…

- Sản xuất caffe

Trong sản xuất rượu vang cũng như trong sản xuất nước quả và các nước uốngkhông cồn, đều có thể sử dụng pectinase một cách rất hiệu quả Nhờ tác dụng củapectinase mà các quá trình ép, làm trong và lọc dịch quả rất dễ dàng, do đó làm tănghiệu suất sản phẩm Chẳng hạn, khi đưa pectinase vào khâu nghiền quả, sẽ làm tăng

Đánh bóngPhân loại

Cà phê tươiThu nhận, phân loạiXát vỏ

Tách lớp nhầyRửa và phân loạiPhơi sấyXay xát

Cà phê thương phẩm

Phơi sấyXay xát

Phân loại

hiệu suất nước quả sau khi ép lên tới 15-25% Bởi lẽ khi có pectin thì khối quả nghiền

sẽ có trạng thái keo, do đó khi ép dịch quả không thoát ra được Nhờ pectinase phângiải các chất pectin đi mà dịch quả trong suốt không bị vẩn đục và lọc rất dễ dàng.Không chỉ vậy enzyme pectinase còn giúp chiết rút các chất màu, tannin và các chấthoà tan khác, do đó làm tăng chất lượng thành phẩm

Trong sản xuất các mặt hàng từ quả ( mứt nhừ, mứt đông…) pectinase cũng cóvai trò quan trọng nhờ có pectinase mà có thể thu được dịch quả có nồng độ đậm đặc.Chẳng hạn như dịch táo cô đặc đến 72 độ Brix, nếu không tách các pectin tự nhiênchứa trong đó thì sản phẩm sẽ bị keo tụ một cách mạnh mẽ và không thể cô đặc hơnnữa Đa số trường hợp, người ta khử pectin đi, sau đó mới lọc rồi cô đặc, nhưng đôikhi người ta cho pectinase tác dụng trong suốt thời gian cô đặc

Trong chăn nuôi, người ta thêm vào khẩu phần ăn của động vật các chế phẩmenzyme có hoạt độ pectinase cùng với cellulose và hemicellulose cao để giúp chúng sửdụng triệt để thức ăn Điều quan trọng là phải xác lập được liều lượng chế phẩm tối ưu,thường khi sử dụng liều lượng quá lớn sẽ không có hiệu quả

Trong sản xuất cà phê, người ta dùng pectinase để tách lớp keo ở trên bề mặtcủa hạt cà phê Trước đây người ta dùng ngay vi sinh vật để làm việc này, nhưngthường quá trình xảy ra không đồng đều và khó kiểm tra Hiện nay, người ta thườngdùng các chế phẩm pectinase

Trong kỹ thuật chế biến cà phê hiện nay có 2 phương pháp chính là chế biếnkhô và chế biến ướt Tuy nhiên xử lý cà phê theo quy trình thông thường chưa manglại hiệu quả tối ưu cho việc trích ly các thành phần hòa tan có trong hạt cà phê Vấn đềđặt ra là sử dụng phương pháp lên men để nâng cao tối đa hiệu quả trích ly của hạt càphê, từ đó thu được lượng chất hòa tan cao nhất

Quy trình sản xuất cà phê:

15